基于泰勒展开的相位差波前检测技术研究

发布时间：2020-10-27 12:54

　　 随着现代天文望远镜通光口径的不断增大,在望远镜的运输和发射过程中的振动,以及入轨后的重力卸载、工作环境变化等因素对望远镜自身结构的影响也越来越大。当被动支撑不能保证像质设计指标要求时,需要引入主动光学技术对光学系统实施自主校正,使入轨后望远镜的成像质量达到设计指标。主动光学调整技术主要包括三个环节:波前检测环节、系统矫正量解算环节和波前控制环节。其中,高精度的波前检测是实现主动光学调整的前提和关键部分。目前常用的波前检测手段主要包括两大类:一种是测量波前的斜率,然后反解出系统的波前,如Shack-Hartmann传感器;另一种是测量光学系统像面上的强度分布,然后根据相关算法求出系统的波前,如相位恢复(Phase Retrieval,PR)技术和相位差(Phase Diversity,PD)技术。由于基于测量波前斜率手段的波前检测需要在成像光路中插入额外的光学器件,会占用设施上宝贵的空间资源,而基于测量光学系统像面上光强分布的波前检测可直接利用设施上现有的设备,具有结构简单、容易实现等优点。其中,相位差技术由于能够适用于被观测物体为扩展目标时的波前检测,适用范围更广,因此得到广大学者的关注。根据天基大口径天文望远镜的工作需求,本文围绕基于相位差算法的波前检测技术展开研究,论文的主要研究工作如下:1、研究了经典相位差算法的求解模型,结合泰勒展开技术,将光学系统的点扩散函数(Point Spread Function,PSF)或光学传递函数(Optical Transfer Function,OTF)进行一阶泰勒展开,建立了像面图像与系统像差之间的线性关系。通过构建实际图像与重构图像之间的差异度函数,推导出了像差系数关于像面光强分布的表达式,解决了传统相位差算法计算量大、收敛性差的问题,并通过数值模拟仿真对改进的相位差算法进行了蒙特卡洛验证。2、分析了相位差波前检测算法在实际空间望远镜主动光学系统中可能遇到的误差因素,如离焦距离误差、噪声扰动、图像配准误差、分光装置误差等,对相位差算法解算精度的影响,并针对部分误差的影响,结合相位差算法的数学模型,给出了降低其影响的改进措施。3、针对离轴反射系统,提出了一种基于复数域Zernike多项式的相位差算法。通过利用虚数Zernike多项式来描述光强分布,从而将光强分布参数视为一种像差参数,实现光强分布与系统像差的同时求解,能有效地降低光强分布不均匀对波前探测精度的影响。4、建立了微振动下系统成像的数学模型,分析了光学系统微振动对相位差算法的影响,提出根据微振动的功率谱预估振动算子,对焦面和离焦面的图像进行处理后再进行波前解算的方法,提高了相位差算法的解算精度。5、以SNAP望远镜为例,利用ZEMAX软件光线追迹得到的点扩散函数图,代入改进的基于泰勒展开的相位差算法求解对应的系统像差,并与ZEMAX软件给出的像差进行了对比,通过大量的蒙特卡洛仿真,验证了基于泰勒展开技术的相位差算法的准确性。6、设计和搭建了波前探测的实验平台,验证了基于泰勒展开技术的相位差算法的可行性和测量精度;设计了非均匀光照下波前探测的实验方案,验证了基于复数域Zernike多项式的相位差算法;利用快速摆动镜设计了微振动环境下相位差算法的实验系统,验证了基于振动算子对图像逆卷积处理的方法对相位差算法的影响。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH751
【部分图文】：

图 1.1 望远镜口径的发展Figure 1.1 Development of the aperture of telescopes美国宇航局研制的哈勃太空望远镜(Hubble Spac了人们太空观测的新篇章。哈勃太空望远镜（如由两个双曲面反射镜组成的 R-C 系统结构[4]，主6m，观测波段从紫外波段一直延伸到近红外波段层的上方，没有大气湍流的干扰，哈勃太空望远像，极大地推动了天文学的发展。

第 1 章 绪论为了进一步提高天文观测能力，美国宇航局研制了新一代太空望远镜—-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）。JWST 的主光同轴反射式结构，其主镜的有效口径达 6.5m，由 18 个六边形的子镜拼聚光面积大于 25m2，工作波段为 600~2700nm，如图 1.3 所示[5]。为了和地球红外辐射对望远镜观测的影响，JWST 的工作轨道选择在日地的朗日点处。

技术和拼接镜技术的新一代的天文望远镜层出不穷[11]。然而这些望远镜主基天文望远镜，其主动光学矫正的主要是重力导致的主镜镜面面型变化（镜系统）或各子镜之间的共相误差（拼接主镜系统）。对于主动光学技术望远镜中的应用，目前研究较少。.2 主动光学技术概述当望远镜系统中的镜面存在面型误差或光学元件存在位置或姿态的失调望远镜所成图像的像质达不到设计要求时，主动光学调整技术通过检测系像差，计算系统中可调节机构的调节量，再由执行机构调节相关元件的位态，以矫正镜面的面型误差或光学元件的位姿失调，保证望远镜的成像质图 1.4 所示，主动光学系统主要包括以下几个关键环节：系统波前检测Wavefront Sensing，WFS）[12-18]、调节量解算环节[19-20]和波前控制环Wavefront Control，WFC）[21-24]。
【参考文献】

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本文编号：2858549